一种改进的变步长电导增量法在光伏MPPT中的应用_解广识

163. com。
第 19 期
解广识 等： 一种改进的变步长电导增量法在光伏 MPPT 中的应用
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云的天气，光照可能在短时间内发生剧烈变化。所 以对于光伏电池阵列来说，其 P-U 曲线是不停变化 的。如图 2 所示，当前工作点电压记为 Ua，阵列输 出功率记为 Pa。当电压扰动方向往右移至 Ub，如果 日照没有变化，阵列输出功率为 Pb，Pb ＞ Pa，控制 系统工作正确。但如果日照强度下降，则对应 Ub 的 输出功率可能为 Pc ，Pc ＜ Pa ，系统会误判电压扰动方 向错误，从而控制工作电压往左移回 Ua 点。如果日 照持续下降，则有可能出现控制系统不断误判，使工 作点电压在 Ua 和 Ub 之间来回移动振荡，而无法跟踪 到阵列的最大功率点。
图 4 电导增量法可能的误判示意图
2. 3 电导增量法误判原因分析
从以 上 分 析 可 以 看
出，电导增量法在光照突
变时，可 造 成 系 统 误 判。
其原因在于用采样值计算
得出的 dP /dU 的值只是其
近似值，在光照突变引起
功率 P 突变时，存在严重 的偏差或错误。如图 5 所 示，在 U = 20 V 时，光照
目前，常用的最大功率跟踪方法有： 固定电压 法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制和神经网络 控制等。其中，扰动观察法和电导增量法因效率高且 硬件实现简单而得到了广泛应用。但是，这两种算法 在光照剧烈变化时存在错判的问题。作者提出一种改 进的变步长电导增量法，通过检测电压、电流的变 化，判断光照是否发生突变，在光照突变时，调整控 制策略，提高了最大功率点跟踪控制的效果，从而提 高了光伏电池的利用率。 1 扰动观察法原理及误判分析 1. 1 扰动观察法原理
其中 PV 模 块 的 参 数 如 下： Voc = 44. 8 V； Isc = 8. 33 A； Vm = 35. 2 V； Im = 7. 95 A。光伏模块的初始 工作电压 U0 = 20 V，辐照度 R = 1 000 W / m2 ，在 t = 0. 3 s 时，开启 MPPT 控制，t = 0. 5、0. 7、0. 75 s 时， 光照分别突变为 R = 1 200、1 000、800 W / m2 。仿真
图 5 光照突变时 dP / dU-U 曲线
发生突变，dP / dU-U 曲线存在尖锐的毛刺。
基于以上分析可以看出： 如果能够检测到光照突
变，并对算法进行改进可减少或避免程序误判的情况
出现。
3 改进的变步长电导增量法
3. 1 光照突变检测
相对于光照的变化来说，光伏电池表面温度的变
化是非常缓慢的，因此，在探讨最大功率点跟踪问题
关键词： 光伏系统； 最大功率跟踪； 扰动观察法； 电导增量法 中图分类号： TP273 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （2011） 19 － 038 － 3
Application of Improved Incremental Conductance Algorithm Using Variable Step in MPPT Control of the PV System
情况，可设定一个阈值 δ，当 | dI | ＞ δ 时，认为光照
发生较大变化。
3. 2 变步长电导增量法
作者 设 计 了 一 种 变 步 长 电 导 增 量 法，对 文 献
［7］ 的 控 制 算 法 进 行 了 优 化，流 程 图 如 图 6 所 示，
对于扰动观察法亦可进行类似处理。
未检测到光照变化时，若 dU≠0，系统没有工作
解广识，张广明，张进明，周娟娟
（ 南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816）
摘要： 分析了扰动观察法和电导增量法的原理与误判问题，提出一种改进的变步长电导增量法，通过检测电压、电流 的变化，判断光照是否发生突变，在光照突变时，及时调整控制策略，快速跟踪最大功率点变化方向，从而提高最大功率 点跟踪控制的效果，提高光伏电池的利用率。仿真结果表明： 该算法能够快速准确地跟踪最大功率点，并能保证系统的稳 定性。
U（ k － 1） ，dI = I（ k） － I（ k － 1） ，dP = P（ k） － P（ k － 1） ，设 dU ＞ 0，dP ＞ 0，则 dP /dU ＞ 0，应增加 U。进 入下一采样周期，显然 dU ＞ 0，如果光照没有变化， 则 dP ＞ 0，dP /dU ＞ 0，应增加 U，判断正确； 如果光 照陡然下降且使 dP ＜ 0，则 dP /dU ＜ 0，应减少 U， 事实上应继续增加 U，程序判断出错。
图 3 光伏阵列 dP / dU-U 曲线
2. 2 电导增量法误判可能性分析 同扰动观察法，在环境条件剧烈变化时，电导增
量法也存在误判的可能。如图 4 所示，设当前电压电 流采样值为 U（ k） 、I（ k） ，功率 P（ k） = U（ k） × I（ k） ， 前一采样周期电压电流采样值 U（ k － 1） 、I（ k － 1） ， 功率 P（ k － 1） = U（ k － 1） × I（ k － 1） ，则 dU = U（ k） －
中搭建了仿真模型。如图 7 所示。
图 7 Simulink 仿真模型
Abstract： A type of improved incremental conductance algorithm using variable step was proposed based on analyzing the principle and erroneous judgment of the perturbation ＆ observation method and the incremental conductance method． In this algorithm，the change of the solar irradiance could be judged through detecting the variety of the voltage and current． In order to track the maximum power point quickly，the control strategy was adjusted in time according to the solar irradiance and the tracking effect was improved significantly． So the availability of the PV system was increased． The simulated results show that by the method，the maximum power point can be tracked fast and exactly，and the stability of PV system is ensured．
于最大功率点。在最大功率点左ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ （ dP /dU ＞ 0） 时，
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机床与液压
第 39 卷
应当提高工作点电压，即 ΔU ＞ 0。该区域内远离最 大功率点的 dP /dU 变化速度小，为加快逼近速度可 取 ΔU = m1 × （ dP / dU） n，其中 m1 ，n 设置为适当的 常数，n ＞ 1 时，可放大 dP /dU ＞ 1 时的步长，并缩小 dP /dU ＜ 1 时的步长。在最大功率点右侧 （ dP /dU ＜ 0） 时，应当降低工作点电压，即 ΔU ＜ 0，该区域内 dP / dU 变化速率较大，取 ΔU = m2 × dP / dU。经过控 制使 dP = 0 时，此时 dP /dU = 0，系统达到最大功率 点，取 ΔU = 0，可 归 入 ΔU = m1 × （ dP / dU） n。当 dU = 0 时，系统已工作于最大功率点，实现了 MPPT 控制。此时，保持工作点电压不变，ΔU = 0。
结果如图 8 所示。可见，在光照不变与光照突变的情 况下均可较好地实现 MPPT 控制。
图 6 改进的变步长电导增量法流程图 检测到光照变化时，由于电流的变化方向和最大 功率点电压变化方向一致，因此可以取 ΔU = m3 × dI 作为步长数据，可快速追踪由辐照度变化引起的最大 功率点电压变化。
4 仿真及结果分析 为了验证该方法的有效性，在 MATLAB / Simulink
扰动观察法 （ Perturbation and Observation，P＆O）
也称为爬山法 （ Hill Climbing，HC） ［2］，其工作原理 为测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加 一个小电压分量扰动后，其输出功率会发生改变，测 量改变后的功率，与改变前的功率进行比较，即可获 知功率变 化 的 方 向。如 果 功 率 增 大 就 继 续 使 用 原 扰 动，如果功率减小则改变原扰动方向。扰动观察法跟 踪情况如图 1 所示。
图 2 扰动观测法可能的误判示意图
2 电导增量法原理与误判分析 2. 1 电导增量法原理
电导增量法［4 －6］是通过比较光伏阵列的瞬时电导 和电导的变化量来实现最大功率跟踪。光伏阵列的 dP / dU-U 曲线如图 3 所示，dP / dU = 0 时为最大功率 点。因此可以得到以下的判据：
{dP /dU = 0，在最大功率点处 dP / dU ＞ 0，在最大功率点左侧 dP / dU ＜ 0，在最大功率点右侧 通过判断 dP /dU 的符号就可以判断光伏阵列是 否工作在最大功率点。在最大功率点处有 dP /dU = 0， 此时保持电压不变； 在最大功率点左侧 dP /dU ＞ 0， 此时应增大输出电压； 在最大功率点右侧 dP /dU ＜ 0， 此时应减小输出电压。
Keywords： PV system； Maximum power point tracking； Perturbation and observation method； Incremental conductance method